宋樹成

（河北省張家口水文勘測(cè)研究中心，河北 張家口 075000）

0 引言

對(duì)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展來(lái)說(shuō)，水資源十分重要，水資源的匱乏會(huì)給人們的生活和工作造成嚴(yán)重的影響，所以對(duì)城市水資源情況進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)參考評(píng)估數(shù)據(jù)來(lái)制定水資源調(diào)配措施和采取對(duì)應(yīng)的水資源保護(hù)方案是十分重要的[1-3]。一般通過(guò)分析一個(gè)地區(qū)的水資源承載力來(lái)判斷其水資源是否充沛，分配是否合理。在國(guó)內(nèi)，眾多學(xué)者也從各個(gè)方面對(duì)水資源承載力的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，其評(píng)價(jià)體系也更科學(xué)合理[4]。門寶輝等[5]通過(guò)生態(tài)足跡法，對(duì)地區(qū)水資源承載力進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，給當(dāng)?shù)氐乃Y源的調(diào)配提出合理的建議。杜雪芳等[6]根據(jù)TOPSIS 模型，對(duì)鄭州市水資源承載力的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。曹麗娟等[7]利用主成分分析法，從多個(gè)方面對(duì)地區(qū)水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是在評(píng)價(jià)水資源的承載力時(shí)，使用傳統(tǒng)賦權(quán)法計(jì)算權(quán)重時(shí)，通常會(huì)因主觀局限性而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差。

基于此，為了解當(dāng)?shù)貐^(qū)域水資源承載力的實(shí)際情況，并掌握其發(fā)展規(guī)律，通過(guò)組合賦權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，并使用TOPSIS模型對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源承載力進(jìn)行計(jì)算，為制定相關(guān)當(dāng)?shù)厮Y源管理方案提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

某城市地勢(shì)平坦，西北走向略低于東西走向，平洼地為其主要地貌類型，另外存在部分山地與丘陵，出現(xiàn)洪澇災(zāi)害的概率較高。城市內(nèi)四季分明，多年降雨量均值為572 mm，且具有南多北少、時(shí)空不均的特點(diǎn)。這幾年，城市規(guī)模逐漸擴(kuò)大，城市污水排放量也大幅增加，給水環(huán)境造成嚴(yán)重污染，水資源供給面臨較大的困難，該現(xiàn)象已成為限制當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，對(duì)該城市2012—2020 年的水資源相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

2 研究方法

2.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

很多因素都會(huì)對(duì)水資源的承載力造成影響，要想準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)城市水資源承載力，采用合理科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系必不可少。通過(guò)結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源相關(guān)數(shù)據(jù)和水資源現(xiàn)狀，從生態(tài)系統(tǒng)、水資源以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的角度出發(fā)，從上述3 個(gè)子系統(tǒng)中挑選處指標(biāo)11 項(xiàng)，以此來(lái)建立該城市的水資源承載力評(píng)價(jià)體系，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)見表1。在表1 中，當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于負(fù)向時(shí)，承載力隨著數(shù)值增大而減少，當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于正向時(shí)，承載力隨著數(shù)值增大而增大。

表1 水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

變異系數(shù)法的賦權(quán)是通過(guò)判斷指標(biāo)的變異程度完成的，屬于客觀賦權(quán)法，在計(jì)算權(quán)重的過(guò)程中，能夠?qū)⒏鱾€(gè)指標(biāo)之間的差異有效地反映出來(lái)。在評(píng)價(jià)水資源承載力時(shí)熵權(quán)法應(yīng)用得較多，該方法在計(jì)算指標(biāo)權(quán)重時(shí)是根據(jù)數(shù)據(jù)的離散程度完成的，科學(xué)客觀，有較高的準(zhǔn)確度。當(dāng)使用主觀賦權(quán)法時(shí)，會(huì)因?yàn)槿藶樵u(píng)判的影響而導(dǎo)致權(quán)重計(jì)算結(jié)果可能出現(xiàn)誤差，而客觀賦權(quán)法能夠很好的避免這種問題，不過(guò)單一的計(jì)算方法也有一些缺點(diǎn)。為了保證計(jì)算結(jié)果有較高的準(zhǔn)確性，根據(jù)組合賦權(quán)法的形式，結(jié)合熵權(quán)法權(quán)與變異系數(shù)法的權(quán)重計(jì)算結(jié)果，以此來(lái)計(jì)算相關(guān)指標(biāo)的組合權(quán)重。

可根據(jù)公式（1）對(duì)各指標(biāo)變異系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如公式（1）所示。

在公式里，第i項(xiàng)指標(biāo)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差為和σi。

對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行歸一化計(jì)算，如公式（2）所示。

歸一化處理各指標(biāo)數(shù)據(jù)，取評(píng)價(jià)年限n個(gè)，同時(shí)在每個(gè)年限里包括評(píng)價(jià)指標(biāo)m個(gè)，可形成初始矩陣R=（rij）m×n并且將全部數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

計(jì)算第i個(gè)指標(biāo)的信息熵的表達(dá)式如公式（3）所示。

式中：fij為評(píng)價(jià)因子在指標(biāo)中的權(quán)重；ei為第i項(xiàng)的信息熵。

2.3 建立TOPSIS 模型

通過(guò)負(fù)理想解與正理想解來(lái)建立TOPSIS 模型，依次得出正負(fù)理想解與樣本對(duì)象的距離。以此為基礎(chǔ)采用水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的定量評(píng)價(jià)方法，能夠應(yīng)用在多指標(biāo)多方案的系統(tǒng)評(píng)價(jià)中，如公式（4）所示。

第一步：構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。

式中：wi為組合賦權(quán)得出的權(quán)重；m×n為n個(gè)評(píng)價(jià)年限，且在每個(gè)年限中存在m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，Y代表樣本對(duì)象理想解。

第二步：對(duì)正負(fù)理想解進(jìn)行確定。

在上式中，Y+與Y-分別表示正、負(fù)理想解，即第j年中第i指標(biāo)的最大值和最小值。

第三步：距離計(jì)算。

第四步：水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算。

式中：Cj為水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)在第j年的值，[0，1]為其取值范圍，當(dāng)Cj的值越靠近1 時(shí)，當(dāng)?shù)爻休d力就越高。

3 分析結(jié)果

3.1 分析指標(biāo)權(quán)重

以熵權(quán)法和變異系數(shù)法對(duì)該區(qū)域的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，以組合賦權(quán)對(duì)該區(qū)域的組合權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果見表2。根據(jù)從小到大的順序?qū)⒆儺愊禂?shù)法計(jì)算的權(quán)重進(jìn)行排序，能夠計(jì)算8.64 為REn（差異系數(shù)）的值，0.47 和0.53 分別為組合賦權(quán)待定系數(shù)β和α的值。圖1 為3 種權(quán)重的對(duì)比結(jié)果。

圖1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

從圖1 和表2 能夠看出，通過(guò)3 種方法計(jì)算的指標(biāo)權(quán)重間差異較大，但經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比，發(fā)現(xiàn)部分高權(quán)重指標(biāo)較為相近。其中，0.321 和0.194 分別為通過(guò)變異系數(shù)法和熵權(quán)法計(jì)算出的生態(tài)環(huán)境用水率指標(biāo)權(quán)重，生態(tài)環(huán)境用水率指標(biāo)通過(guò)組合賦權(quán)法計(jì)算的權(quán)重為0.261。該指標(biāo)在3 種計(jì)算方法中權(quán)重值均為最大，這表示提高生態(tài)環(huán)境用水率能夠很大程度地提高水資源承載力。

人均水資源在組合權(quán)重里占比較大，其值為0.128，這說(shuō)明當(dāng)?shù)厮Y源承載力會(huì)受人均水資源量較大的影響。同時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)權(quán)重較高的還有產(chǎn)水模數(shù)，其值為0.127，這說(shuō)明水資源承載力的恢復(fù)速度會(huì)因產(chǎn)水模數(shù)的增大而增大。權(quán)重略低的為水資源開發(fā)利用率，其值為0.108，這說(shuō)明當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用過(guò)多會(huì)在一定程度上削弱水資源承載力，阻礙了水資源的長(zhǎng)期發(fā)展。

3.2 分析水資源承載力

結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，根據(jù)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)可以將2012—2020 年的水資源承載力分成5 個(gè)等級(jí)，依次為0.8~1，理想承載力（I 級(jí)）；0.6~0.8，良好承載力（Ⅱ級(jí)）；0.4~0.6，可承載（Ⅲ級(jí)）；0.2~0.4，弱可承載（IV 級(jí)）；0~0.2，不可承載（V 級(jí)）。通過(guò)以上方法和模型，對(duì)該地區(qū)水資源承載評(píng)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算，表3 為具體計(jì)算結(jié)果。為了將該地區(qū)2012—2020 年的水資源承載力更直觀地表現(xiàn)出來(lái)，按照綜合評(píng)價(jià)結(jié)果和承載力等級(jí)將其變化趨勢(shì)繪制成圖，如圖2 和圖3 所示。

圖2 該地區(qū)2012 年至2020 年水資源承載力評(píng)價(jià)值變化趨勢(shì)

圖3 該地區(qū)2012—2020 年水資源承載力等級(jí)變化趨勢(shì)

表3 該地區(qū)2012—2020 年水資源承載力評(píng)價(jià)值

從圖2 和表3 中能夠看出，在2012—2020 年，該地區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)值逐漸提高，從0.65 增至0.875，提高了近4 倍，這表示該地區(qū)水資源承載力發(fā)展情況較好。但是在2012—2013 年，雖然水資源評(píng)價(jià)值同樣為增長(zhǎng)情況，不過(guò)這段時(shí)間內(nèi)的承載力較低，等級(jí)為V 級(jí)。

水資源承載力評(píng)價(jià)值在2013—2014 年逐漸降低，降至2014 年的0.205。該現(xiàn)象是因?yàn)榈貐^(qū)人口總數(shù)變多，生活用水量提高，水資源開發(fā)利用量逐漸提高，超過(guò)當(dāng)?shù)氐乃Y源承載水平，給水資源形成了較高的壓力。

水資源承載力評(píng)價(jià)值在2014—2016 年逐漸提高，增長(zhǎng)至2016 年的Ⅲ級(jí)，此時(shí)為可承載狀態(tài)。這是因?yàn)樵诋?dāng)?shù)?015 執(zhí)行了比較嚴(yán)格的水資源管理制度，提高節(jié)約用水和水資源保護(hù)力度，水資源的開發(fā)利用得到合理控制，提高了人均水資源量和當(dāng)?shù)禺a(chǎn)水模數(shù)，水資源承載力慢慢增大，并于2020 年增至0.87，為最近幾年的最高值。同時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)厮Y源公報(bào)能夠發(fā)現(xiàn)，區(qū)域生態(tài)環(huán)境用水從2017—2020 年一直處于上升狀態(tài)，這期間從1.4%提高至6.36%，對(duì)部分區(qū)域的水資源過(guò)度開發(fā)利用進(jìn)行補(bǔ)充，提高額污染源防控、水環(huán)境整治力度，并引入前沿水環(huán)境治理理念和技術(shù)，采取多項(xiàng)生態(tài)修復(fù)措施，大大改善了水生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

為了解當(dāng)?shù)貐^(qū)域水資源承載力的實(shí)際情況，并掌握其發(fā)展規(guī)律，這次研究通過(guò)組合賦權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，并使用TOPSIS模型對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源承載力進(jìn)行計(jì)算，主要得出以下2個(gè)結(jié)論：1）生態(tài)環(huán)境用水率、人均水資源指標(biāo)權(quán)重以及產(chǎn)水模數(shù)指標(biāo)權(quán)重較大，均能在一定程度上對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源承載力起到積極的作用，而水資源開發(fā)利用率權(quán)重值較低，這表示當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用過(guò)多會(huì)在一定程度上削弱水資源承載力，阻礙水資源的長(zhǎng)期發(fā)展。2）在2012—2020 年，該地區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)值逐漸提高，從0.65 增至0.875，提高近4 倍，這表示該地區(qū)水資源承載力發(fā)展情況較好，當(dāng)?shù)仡C布和執(zhí)行的水資源管理制度能夠使水資源的開發(fā)利用得到合理控制，人均水資源量和當(dāng)?shù)禺a(chǎn)水模數(shù)得到提高。